离心叶轮载荷分布及能量损耗特性的实验研究

摘要

本项研究工作采用PIV（粒子图像测速仪）实验手段对一低比转速离心泵内部流场进行测量，并建立离心叶轮内部流动与叶片载荷分布及能量损耗特性的关联。基于叶片载荷分布特性，开展了叶轮优化设计。与原始叶轮进行性能对比，新叶轮的极限外径增大，表明新叶轮的性能提高。　　（1）对离心泵内不稳定流动特性进行分析。流道内低速区的覆盖面积和强度均随转速的增加而减小。在旋涡尺度方面，受顺时针旋涡的堵塞效应，逆时针旋涡的尺度小于顺时针旋涡的尺度，且尺度大小在各阶段均较为一致。随着流量的降低，逆时针旋涡涡心的位置逐渐向叶轮出口方向移动，旋涡开始产生的位置在靠近叶片尾缘的1/5处。　　（2）对离心泵叶片载荷分布特性的研究表明，旋涡导致叶片载荷曲线变陡。其中，顺时针旋涡将最大叶片载荷位置移动到出口，对叶片载荷起到加载作用。而逆时针旋涡对叶片载荷的作用则相反。逆时针旋涡使得出口处靠近压力面附近的绝对液流角不断减小至负值，对能量转换起到负面影响。　　（3）利用PIV方法表征了模型泵的能量损耗特性。湍流动能分布表明能量损耗主要集中在叶轮进口和出口区域。涡量分布特性表明在涡量变化较大的地方，均有旋涡出现或者有流线扰动现象，这表明这些位置极易促使旋涡的生成。出口处的射流尾迹导致叶片尾缘靠近吸力面的方向存在一个局部高欧拉扬程区，表现为能量损耗的增加。　　（4）对叶片载荷与内部流动的关联分析，流动状态较好的叶片载荷分布曲线更倾向于三段式分布。基于叶片载荷分布特性，调整曲线加载方式，保证前后叶轮总加载载荷相同，开展了叶轮优化设计。与原始叶轮性能对比：新叶轮的极限外径变大，最大欧拉扬程值位置更靠近出口，表明能量传递更多。

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